intTypePromotion=1
zunia.vn Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z zunia.vn zunia.vn
ADSENSE

Tổng hợp hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho máy bay không người lái dựa trên điều khiển Backstepping

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:11

7
lượt xem
5
download
 
  Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày về phương pháp tổng hợp hệ điều khiển bám quỹ đạo cho máy bay không người lái theo một vòng điều khiển thống nhất có tính đến động học của vòng điều khiển trong dựa trên kỹ thuật điều khiển trượt cuốn chiếu (Backstepping Sliding Mode-BSM).

Chủ đề:
Lưu

Nội dung Text: Tổng hợp hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho máy bay không người lái dựa trên điều khiển Backstepping

  1. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) TỔNG HỢP HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BÁM QUỸ ĐẠO CHO MÁY BAY KHÔNG NGƯỜI LÁI DỰA TRÊN ĐIỀU KHIỂN BACKSTEPPING SYNTHETIC PATH FOLLOWING CONTROL SYSTEM FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES BASED ON BACKSTEPPING CONTROL Đỗ Quang Hưng1, Bùi Thị Duyên2* 1 Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 2 Trường Đại học Điện lực Ngày nhận bài: 10/5/2023 Ngày chấp nhận đăng: 29/6/2023, Phản biện: TS. Lê Tuấn Anh Tóm tắt: Bài báo trình bày về phương pháp tổng hợp hệ điều khiển bám quỹ đạo cho máy bay không người lái theo một vòng điều khiển thống nhất có tính đến động học của vòng điều khiển trong dựa trên kỹ thuật điều khiển trượt cuốn chiếu (Backstepping Sliding Mode-BSM). Khác với phương pháp đề xuất sử dụng điều khiển trượt (Sliding Mode-SM) bỏ qua động học của vòng điều khiển trong, phương pháp bài báo đề xuất đã khắc phục nhược điểm của hệ thống do tính toán không đầy đủ động học của hệ thống, nhờ đó đã nâng cao chất lượng của hệ thống điều khiển. Sử dụng điều khiển ảo cho cả vòng điều khiển quỹ đạo và vòng điều khiển ổn định, hệ thống đã hoạt động ổn định và có chất lượng tốt hơn so với phương pháp bỏ qua động học của vòng điều khiển trong. Điều này đã được chứng minh dựa trên nguyên lý Lyapunov và hệ thống được kiểm chứng bằng mô phỏng. Từ khóa: Hệ điều khiển bám quỹ đạo, mặt trượt, điều khiển cuốn chiếu (backstepping), điều khiển trượt, máy bay không người lái. Abstract: This paper presents a method of synthesizing the trajectory tracking control system for Unmanned Aerial Vehicle (UAV) under a unified control loop taking into account the kinematics of the inner control loop based on Backstepping Sliding Mode technique. Different from the proposed method of using Sliding Mode to ignore the kinematics of the inner control loop, the proposed method has overcome the system's weaknesses due to incomplete calculation of the system's kinematics, thereby improving the efficiency of the system. By using virtual control for both the trajectory control loop and the stable control loop, the system has a stable operation and better quality compared to the kinematic bypass method of the inner control loop. This has been proven based on the Lyapunov theory and verified by simulation. Keywords: Path following, sliding surface control, backstepping control, sliding mode control, unmanned aerial vehicle. 62 Số 32
  2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) 1. GIỚI THIỆU CHUNG ợ ợ ộng rãi th u khi tr ộ ộ ộ ợ trên H 1 [1]. Hình 1. Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển bám quỹ đạo UAV 1 là c u trúc h th u à khi n bám quỹ ạo của UAV theo kênh à à à ợ [1] T : yd, xd là tọ ộ UAV mong mu n trong quỹ ạo; e, ye là sai s ỹ ạ ớng quỹ ạo của UAV; là sai s ạ T ngang của UAV so vớ ng quỹ ạo; tr ϕ, ϕd: là góc li ng mong mu n và góc ộ ộ ọ l ợ li ng th c t của UAV;  : ớng ợ quỹ ạo của UAV và tọ ộ của nó. lớ T ộ ọ à : ớ à là ỹ ạ l ợ ; ợ ạ à là ợ ợ ỹ ạ ợ [7], [8]. UAV cánh b ng có ợ các bi n trạng thái kh vi b t ng là hợp h th u khi n bám quỹ ạo có ợ [2], [3], [4], th s d ợt cu n [5], [6] T chi [9] à ợ là à à ớ à; ợ T ớ ộ ọ ủ là à ộ ủ l l ỹ ạ ớ Số 32 63
  3. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) là l là Trên Hình 3 là ạo hàm sai ợ s ngang của UAV theo quỹ ạo cho ộ ọ ủ ớc. l à ủ ợ à ộ ọ l à ợ Hình 3. Sơ đồ xác định đạo hàm sai số ngang ủ ủ ộ của UAV kênh ngang. T : P là tọ ộ của UAV; O là tọa 2. TỔNG HỢP LỆNH ĐIỀU KHIỂN QUỸ ộ ng quỹ ạo có kho ng ĐẠO CHO UAV BỎ QUA ĐỘNG HỌC cách t n là nh nh t; ye là sai s CỦA VÒNG ĐIỀU KHIỂN TRONG ngang của UAV;  p là ớng của ng quỹ ạo;  là ớng của UAV; u : v n t c của UAV; Xét tạ m P: ye  u sin     p   u sin e (2) Hình 2. Sơ đồ các lực tác động lên UAV T (1) và (2) nh ợc: Trên H 2 là nh các l c tác  ye  u sin  e  ộng lên UAV. Với L là l c nâng khí           g tan  (3) ộng học; L cos  là thành ph n l c nâng  e  p p u ộng họ ẳ ng; L sin  là thành ph n l 0 ộng  ye  u sin  e    họ m ngang. Hay         g  u (4)  e  p    UAVbay ngang thì  u L cos  P  mg hay L  mg / cos  . T : ye là ỹ ạ L c li tâm là L sin  ợ nh ỹ ạ L sin   mg tan  . T công th c xác  là ớ ủ  e bi n trạng nh gia t c li tâm a = ω2.R = υ.ω; v n thái sai s ớng quỹ ạo,  p là t c góc của UAV: ớng quỹ ạo, e     p bi n trạng L sin  g     tan  (1)  m  thái sai s ớng quỹ ạo,  p t ộ 64 Số 32
  4. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ớng quỹ ạo mong mu n, khi bay s hoạ ộng trong ch ộ ợt trên m t thẳng  p  0 , u là ủ là ợt (7), hay gọi t t là t n tại ch ộ ợ ki u ki ạ ộ ọ  là l ủ UAV, u là l ợ ợ ọn hàm Lyapunov V  1 s 2 2 : V  s.s u  tan (5) (9)  g tan( )    s  p   sin  e   u 1   ye 2 u  là l 2 ủ  l (4) à : ớ l u khi ợ ọ (8):  0   g u2  .   ye   u sin e    tan  (6)  sin  e         g  g 1   ye p    2 2  e    V  s.  u  (10)  u    .    sign( s)  .u .sin  e  ộ ợ ớ ợ  1   ye 2 2  ợ l Nh ợc: ỹ ạ [5] ợ ợ ọ sau: V  s sign(s)  0 ; khi ≠ 0 s  e   arctan   ye   0 (7) V  s sign(s)  0 ; khi s = 0 ớ 0    1,0   ; l ợ y, ch ộ ợt nh ti m c n. ọ : T ộ ợ (7) ủ ọ à :  u 2     sin  e   g 1   2 ye 2   arctan   1 (8) V  (  e2  ye2 ) (11)    2   sgn  s   u  p    g   Thay e   arctan   ye  à (11): ớ  là h ng s ộ ti n 1 2 v m ợt của bi ợt s;  là h ng s V (  e  ye ) 2 2 lớ 0 à ợc chọn tùy theo mong (12)   arctan   ye    ye  1 2 2 mu n t ộ ti n v m ợt của bi n 2   ợt s (6) ớ l (8) ạ ộ ộ ợ ạ à (12) ợ : ợ (7) à ộ ợ V  u ye sin  arctan   ye   (13) à ớc tiên ch ng minh với  2 u  arctan   ye  sin  arctan   ye   l u khi n t ng hợp theo (8), h (6) 1   2 ye 2 Số 32 65
  5. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557)   airleron. Theo [6], khi UAV bay b ng, Ta có:    tan   . ye   ; với   1 2 2 ộng học củ ợ :     tan   ye   T :  1 ; p L (17) 2 2 I xx   0 nên sin  .arc tan   .ye   cùng ớ p là ủ l d u với arc tan( . ye ) , n u   0 thì Ixx là ủ ủ ọ ộ l L là mômen arctan( . ye ) cùng d u với ye . y ộ l có th vi t lạ : Mô ộ ủ sin   arctan  ye   ọ là l L ợ ạ  k sgn  arctan  y    k sgn y l l ủ à ợ  1 e 1 e (14)   arctan  ye   k 2 sgn ye au: L  calr alr với k1, k2 là ợ k1 >0, k2>0 Thay (14) vào (13), ta có: T ộ ọ ủ : V  u k1 ye sgn  ye    p   q sin   r cos   tan  (18)  2 u (15) ớ  là l ủ  là k2 k1  sgn  ye   2  1   ye 2 2 ủ q à r là à ủ ọ u k1 ye sgn  ye   ộ l ủ T ợ Hay: V     2   (16)  0 (18)     1   2 y 2 k2 k1  n,   p u ạ ợ   ớ (14) à L  calr alr e ợ : T (16) ạ lớ 0 : V  0. calr   alr (19) y khi t n tại ch ộ ợt, h th ng I xx nh theo Lyapunov l l l 3. TỔNG HỢP HỆ ĐIỀU KHIỂN BÁM ớ : QUỸ ĐẠO KÊNH NGANG CHO UAV  alr  k u (20) THEO MỘT VÒNG ĐIỀU KHIỂN THỐNG ủ à NHẤT l l ớ là ộ ủ ộ ọ ộ ọ l là l ủ l l l l l ủ l l là l ộ ợ ủ l l ọ l (19) à : 66 Số 32
  6. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) calr c g   alr  ku u; u   alr ; ku  alr (21) 2 là u2  tan c I xx I xx u ợ ộ ọ (4) ớ là: g u (21) ợ : tan c   p  sin(    p )  1e1 u 1   2 ye2  ye  u sin  e  (28)  g   e  tan    p (22) ủ ợ  u là là   c (27)     ku u à : (22) là ộ ọ 3 à ợ e1  1e1 (29) (7) s  e   arctan   ye   0 ợ ớ à là (27) t ng hợp h (22) s d ng BSM. : T nh ủ (22) g g e2  tan   tan c (30) ye  u sin e ớ e     p , (23) u u ọ u1   c c   p (3) T 3 ủ (22) l ạ à ủ (30) ợ :  /2 ợ (7) ọ c   p   arctan   ye  (24) e2  g  g  u (1   ) 2 u (1  c 2 ) c ủ ợ (31) g g là là   c (23)  ku u   u (1   ) 2 u (1  c 2 ) c à : ọ : ye  u sin   arctan   ye   (25) (1   2 ) u (1   2 ) là (23) u c  2 e2 , (32) ku (1  c 2 ) gku e1    c (26) ớ 2  1 ; (31) à : (2) T 2 ủ (22) e     p l ạ à e2  2e2 (33) ủ (26) ợ : là (31) e1     c ớ ủ g u (27) ọ à  tan    p  sin(    p ) u 1   2 ye2 ạ : g Trong (27), tan  là ọ 1 2 1 V  e2  e12 (34) u 2 2 Số 32 67
  7. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ạ à ủ à ye ye  (33) à (27) ợ :   sign( ye ) yeu sin  arctan   ye   0  g  (40)   tg   p  V  2 e2  e1  2 u  (35) T (40) à (26) (24) e1  0  u    1   2 y 2 sin(    p )  ợ :  e  (35) (30) à (28)    p   arctan   ye   0 (41) ợ : ọ (24) (28) à l (32) V  2e2  e1 (e2  1e1 ) 2 (36) (22) à ợ  2e2  1e12  e1 e2 2 ớ ẳ : : 1 2 1 a ầu: e1 e2  e2  e12 l (36) à : 2 2 : 1 2 1 V  2e2  1e12  e2  e12 2 x  40cos(0,01 t ); y  40sin(0,01 t ) 2 2 (37)  1 2  1 ủ là 40 ; V    2   e2   1   e12  2  2 ủ là (0 500); ớ ủ là   0 . u ki n mô ph ng g Do trong l tan c do tác gi t chọ ợc mộ ng u cong với quỹ ạ t là y = x.tan(0,01.t). (28) à l (30) Tuy nhiên, trong các tài li u, các quỹ ạo 1  1 à 2  1 nên: ợc chọ mô ph ng là quỹ ạ ng  1 2  1 thẳng và quỹ ạ ng tròn. Chọn quỹ V    2   e2   1   e12  0 (38)  2  2 ạ ng thẳ [1] mô ph ng và (27) à (31)   0 so sánh; với u  40 m / s , tọ ộ là   c à   c . của UAV tại th m t0 là (0,500); góc ẳ (25) 2 ớ ye ớng của UAV tại th m t0 là   0 , ợ : không m t tính t ng quát l ớng ye ye  u ye sin   arctan   ye   củ ng quỹ ạo là   0 ng quỹ   u ye sin  sign( ye ) arctan   ye  ạ là =0 ( ng hợp khác, s d ng phép quay và d ch (39) chuy n g c tọ ộ ta s có quỹ ạ trên trong h tọ ộ mới). Do arctan  x   arctan  x  sign(x) à sin( x)   sin( x) (39) ợ lạ là: T (40), (26) và (24), khi ye  0 ta nh n 68 Số 32
  8. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ợc:    p   arctan   ye   0 . y, h (22) với l u khi n (32) s nh ti m c u này s ợc ki m ch ng qua k t qu mô ph ới u ki n mô ph ng theo [1]. Trường hợp 1: UAV có v n t c u  40 m/s tại th m t0 có tọ ộ là (0, 500) à ớng củ ng quỹ ạo mong mu n là   0 , ủ ng quỹ ạo mong a. Quỹ đạo là đường thẳng trong chế độ SM mu n là y=0; s d ng BSM và s d ng SM b ộng học vòng trong. Trường hợp 2: UAV có v n t c u  40 m/s tại th m t0 có tọ ộ là (0, 500) à ớng củ ng quỹ ạo là   0 ; ng quỹ ạo mong mu là ng tròn bán kính 800m có tâm tọ ộ (0,800); s d ng BSM và s d ng SM b ộng học vòng trong. b. Quỹ đạo là đường tròn trong chế độ SM H 4, 5, 6. Trên Hình 4 là ỹ ạ ạ là 500; Sai s bám kênh ngang của bộ u khi n BSM trong ch ộ ng thẳng th i m 28 s ti n v 0 và hội t . Sai s bám kênh ngang của bộ u khi n BSM trong ch ộ ng thẳng th m 30 s ti n v 0 và hội t , th ộ à bộ u khi ộng học vòng trong củ u khi n bám quỹ ạo. c. Quỹ đạo là đường thẳng trong chế độ BSM Số 32 69
  9. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) d. Quỹ đạo là đường tròn trong chế độ BSM b. Quỹ đạo là đường tròn Hình 4. Sai số bám theo kênh ngang Hình 5. Kết quả mô phỏng các giá t ị g c  , c Trong ch ộ Trên Hình 5 là k t qu mô ph ng các giá ộ bám theo tr góc  , c , trong Hình 5a sau th i gian ng thẳng, bộ u khi n BSM cho ch t 28 s giá tr  ti n tới c và ti n tới 0 do l ợ u khi n t ộ u khi n SM b ộng học vòng trong. Th i quỹ ạ là ng thẳ i vớ ng ộ khi s d ng bộ u khi n hợp quỹ ạ là ng tròn trong Hình 5b, BSM là 30 ng th u sau th i gian 32 s giá tr  ti n tới c và khi n. Khi s d ng bộ u khi n SM, ti n tới 0,2 và nh giá tr à u th ộ là 37,5 s và x y ra hi n à m b o cho UAV bay vòng tròn với ợ u khi n. Qua mô ph ng trên t ộ là 0 05 ; là cho th y bộ u khi n BSM hi u qu ng tròn mong mu n một bộ u khi n SM. cách nh. a. Quỹ đạo là đường thẳng a. Quỹ đạo là đường thẳng 70 Số 32
  10. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ng hợ ng thẳng, các giá tr góc ớng quỹ ạ ớ u khi n o và ớng th c t u ti n góc ớng quỹ ạo, sau 31 s sai s b ng 0. y, b ng cách thi t l u khi n o cho h s d ng BSM, h th u khi n bám quỹ ạ ợc t ng hợp trọng mộ u khi n th ng nh t, kh c ph ợc ợ m củ xu t trong [1] khi b ộng học củ u khi n trong. b. Quỹ đạo là đường tròn Sai s 2 hi n Hình 6. Kết quả mô phỏng các giá t ị g c trên Hình 4 ng hi u qu của xu t. T ng hợp quỹ ạ là ng thẳng Hình 6 ớng th c t là 0. Góc 4. KẾT LUẬN ớng mong mu n b u t giá tr 0,9 à à ợ ộ ộ quỹ ạ à hội t v 0. Góc ỹ ạ ớng th c t b u t giá tr 0 và bám ộ T ớng mong mu n, sau th i gian ủ ợ 27 ớng mong mu n trùng với góc ớng th c t à ớng củ ng à quỹ ạo (b ng 0), UAV bám sát theo ỹ ạ l ạ ng quỹ ạo. là T ng hợp quỹ ạ là ng tròn à ủ Hình 6 ợ ng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] hạm Thị hương nh, Xây dựng thuật toán điều khiển quỹ đạo và bám mục ti u di động mặt đất cho U V cánh bằng Luận án tiến s k thuật, Hà Nội, 2021 [2] Chao, H., Cao, Y., and Chen, Y., utopilots for Small Unmanned erial Vehicles: Survey, Int. J. Control Autom. Syst. 8(1), 36–44 (2010). [3] Fiuzy M., Haddadnia J., Mashhadi S.K.M, Designing an optimal PID controller for control the plan’s height, based on control of autopilot by using evolutionary algorithms , Journal of Mathematics and Computer Science, Vol. 6, pp. 260-271, 2013. [4] P.B. Sujit, S. Saripalli and J.B. Sousa, "Unmanned Aerial Vehicle Path Following: A Survey and Analysis of Algorithms for Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicless," in IEEE Control Systems Magazine, vol. 34, no. 1, pp. 42-59, Feb. 2014. Số 32 71
  11. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [5] hạm Thị hương nh, Nguyễn Vũ, han Tương Lai, Chế độ trượt với mặt trượt phi tuyến trong điều khiển U V bám theo đường quỹ đạo , Tạp chí Nghi n cứu Khoa học và Công nghệ quân sự (số đặc san TĐH, tháng 4/2019). [6] M.V. Cook. Flight dynamics principles, linear systems approach to aircraft stability and control , Butterworth-Heinemann, 2012. [7] Xiongfeng Deng 1,2,* and Jiakai Wang 3, Fuzzy-Based Adaptive Dynamic Surface Control for a Type of Uncertain Nonlinear System with Unknown ctuator Faults , Mathematics 2022, 10, 1624. https://doi.org/10.3390/math10101624 [8] C.G. Li , W. Cui, D.D. Yan, Y. Wang, and C.M. Wang, daptive dynamic surface control of a exible-joint robot with parametric uncertainties , Scientia Iranica B (2019) 26(5), 2749{2759. [9] eng, J.Z.; Dubay, R. daptive fuzzy backstepping control for a class of uncertain nonlinear strict-feedback systems based on dynamic surface control approach , Expert Syst. ppl. 2019, 120, 239–252. Giới thiệu tác giả: Tác giả Đỗ Quang Hưng tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện tại Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2004; nhận bằng Thạc s ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa năm 2020 tại Học viện Kỹ thuật quân sự. Hiện nay tác giả là nghiên cứu viên của Viện Tự động hóa Kỹ thuật quân sự, Viện Khoa học và công nghệ quân sự, Bộ Tổng tham mưu. Hướng nghiên cứu chính: tổng hợp hệ thống điều khiển bám quỹ đạo cho UAV, thiết kế các hệ thống nhúng ứng dụng trong điều khiển và tự động hóa. Tác giả Bùi Thị Duyên tốt nghiệp đại học ngành kỹ thuật đo và tin học công nghiệp năm 2004, nhận bằng Thạc s ngành tự động hóa năm 2007, nhận bằng Tiến s ngành kỹ thuật điều khiển và tự động hóa năm 2020 tại Đại học Bách khoa Hà Nội. Hiện nay tác giả là giảng viên Khoa Điều khiển và Tự động hóa, Trường Đại học Điện lực. Hướng nghiên cứu chính: hệ thống đo lường điều khiển, thiết kế các hệ thống nhúng ứng dụng trong điều khiển và tự động hóa, mạng cảm biến không dây, anten và mạch cao tần. 72 Số 32
ADSENSE

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

 

Đồng bộ tài khoản
2=>2